Інтерференція світла

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
на тему:
«Інтерференція світла»
МІНСЬК, 2008

1. Когерентні хвилі.
1. Дві хвилі називаються когерентними, якщо різниця їх фаз не залежить від часу. Цій умові задовольняють монохроматичні хвилі, частоти яких однакові.
Дві хвилі називаються когерентними, якщо різниця їх фаз змінюється з часом. Монохроматичні хвилі різних частот, а також хвилі, що складаються з ряду груп - цугов хвиль, що починаються і обриваються незалежно один від одного з випадковими значеннями фаз в моменти початку і обриву кожної групи, є когерентними.
2. При накладенні двох хвиль, лінійно поляризованих в одній площині, амплітуда А результуючої хвилі пов'язана з амплітудами і і фазами і суперпоніруемих хвиль у розглянутій точці хвильового поля співвідношенням:

У разі накладення некогерентних хвиль з різними частотами і амплітуда А - періодична функція часу з періодом Якщо, як це зазвичай має місце в оптичних дослідах, найменша можлива тривалість спостережень , То в експерименті може бути зареєстровано лише середнє значення квадрата амплітуди результуючої хвилі: Отже, при накладенні некогерентних хвиль спостерігається сумація їх інтенсивностей:
3. У разі накладення когерентних хвиль, лінійно поляризованих в одній площині, де і - Початкові фази суперпоніруемих хвиль у розглянутій точці поля. Амплітуда А результуючої хвилі не залежить від часу і змінюється від точки до точки поля в залежності від значення де
при
при
де
Максимальна та мінімальна інтенсивності результуючої хвилі відповідно рівні:
і .
Якщо , То і тобто вдвічі перевершує суму інтенсивності суперпоніруемих когерентних хвиль.
4. У результаті накладення когерентних хвиль, лінійно поляризованих в одній площині, відбувається ослаблення або посилення інтенсивності світла в залежності від співвідношення фаз складаються світлових хвиль. Це явище називається інтерференцією світла. Результат накладення когерентних хвиль, що спостерігається на екрані, фотопластинці і т.д., називається інтерференційної картиною. При накладенні некогерентних хвиль має місце тільки посилення світла, тобто інтерференція не спостерігається.
5. Кожен атом або молекула джерела світла випромінює цуг хвиль протягом проміжку часу порядку . Тривалість цугу має величину порядку довжин хвиль, так що в першому наближенні кожен такий цуг можна вважати квазімонохроматичного. Однак при спонтанному випромінюванні, яке здійснюється в звичайних джерелах світла, електромагнітні хвилі випромінюються атомами (молекулами) речовини незалежно один від одного, з випадковими значеннями початкових фаз. Тому за час τ спостереження в оптичних дослідах хвилі, спонтанно випромінювані атомами (молекулами) будь-якого джерела світла, некогерентних і при накладенні не интерферируют.
Поряд зі спонтанним випромінюванням можливий інший тип випромінювання - індуковане (вимушене) випромінювання, що виникає під дією змінного зовнішнього електромагнітного поля. Індуковане випромінювання когерентно з збудливим його монохроматичним випромінюванням. Воно має ту ж частотою напрямком поширення та поляризацією. Ці особливості індукованого випромінювання використовуються у квантових генераторах - мазері і лазерах.
6. Для отримання когерентних світлових хвиль і спостереження їх інтерференції з допомогою звичайних джерел спонтанного випромінювання застосовують метод розщеплення хвилі, випромінюваної одним джерелом світла, на дві або більше число систем хвиль, які після проходження різних шляхів накладаються один на одного. У кожних двох таких системах хвиль є попарно когерентні між собою й однаково поляризовані цуги, відповідні одним і тим же актам випромінювання атомів джерела. Результат інтерференції зазначених систем хвиль залежить від різниці фаз, що купується когерентними цугамі хвиль внаслідок проходження ними різних відстаней від джерела до розглянутої точки інтерференційної картини.
7. На рис.1 зображена принципова схема інтерференційних установок, у яких світло від джерела S з лінійним розміром 2b, малим у порівнянні з довжиною хвилі , Розщеплюється на дві системи когерентних хвиль за допомогою дзеркал, призм і т.д. Тут і - Джерела когерентних хвиль (справжні чи уявні зображення джерела S в оптичній системі установки), - Апертура інтерференції, тобто кут в точці S між крайніми променями, які після проходження через оптичну систему сходяться в точці M - центрі інтерференційної картини на екрані EE, кут сходження променів у точці M.

E
N

l h

φ
2b φ 0 M
S l
E
Рис. 1
8. Зазвичай S має вигляд щілини, паралельної площині симетрії оптичної системи. При EE | | інтерференційна картина являє собою смуги, паралельні щілини.
У позначеннях = 2l, OM = D , MN = h розподіл інтенсивностей у інтерференційної картини для монохроматичної хвилі

має максимуми при:

і мінімуми при:

де m - ціле число, зване порядком інтерференції, а
- Інтенсивність в точці М (при h = 0).
9. Відстань між сусідніми максимумами або мінімумами ( ):
.
Величина В називається шириною інтерференційної смуги. Інтерференційна картина тим більше, чим менше 2l (або ω). Кутова ширина смуг інтерференції:
10. Якщо розміри джерела , То спостерігається виразна інтерференційна картина. Практично , І інтерференційна картина визначається накладенням розщеплених когерентних хвиль від різних точок джерела. Інтерференційна картина залишається чіткою при наближеному умови:

де 2 - Апертура інтерференції, λ - довжина хвилі.
11. Контрастність інтерференційної картини визначається з формули:

де Emax, Emin - освітленості екрану в місцях максимумів і мінімумів картини, тобто в центрах світлих і темних смуг, B = λD/2l - ширина інтерференційної смуги, 2b - розміри джерела. Величина v називається видимістю смуг. Залежність v = f (2b / B) показана на рис.2.


2b / B
1 2 3 4 5
рис2.
12. Інтерференційна картина в немонохроматіческом світлі, довжини хвиль якого лежать в інтервалі від λ до , Повністю змазується, коли з інтерференційними максимумами m-го порядку для випромінювання з довжиною хвилі збігаються максимуми (m +1)-го порядку для випромінювання з довжиною хвилі λ:

Для спостереження інтерференції порядку m повинна виконуватися умова:

Чим більше порядок інтерференції m, який необхідно спостерігати, тим монохроматичного повинен бути світло. Навіть для світла з лінійчатим спектром не може бути менше природного ширини спектральної лінії . Звичайно через доплерівського й ударного уширення .

2. Оптична довжина шляху
1. Оптичної довжиною шляху називається твір геометричній довжини d шляху світлової хвилі в даному середовищі на абсолютний показник заломлення цього середовища n.
s = nd.
2. Різниця фаз двох когерентних хвиль від одного джерела, одна з яких проходить довжину шляху в середовищі з абсолютним показником заломлення , А інша - довжину шляху в середовищі з абсолютним показником заломлення :

де , , Λ - довжина хвилі світла у вакуумі.
3. Якщо оптичні довжини шляху двох променів рівні, , То такі шляхи називаються таутохроннимі (не вносять різниці фаз). В оптичних системах, що дають стігматіческіе зображення джерела світла, умові таутохронності задовольняють всі шляхи променів, що виходять з однієї і тієї ж точки джерела і збираються у відповідній їй крапці зображення.
4. Величина називається оптичною різницею ходу двох променів. Різниця ходу пов'язана з різницею фаз :
.
5. При різниця фаз ; Подовженню (або вкорочення) оптичної довжини шляху однієї з хвиль відносно іншої на відповідає запізнювання (чи випередження) першої хвилі на π. При суперпозиції таких хвиль їх амплітуди віднімаються один від одного, і в разі рівності амплітуд обох хвиль амплітуда результуючої хвилі дорівнює нулю.
6. Спостереження інтерференції можливо лише при не надто великих різницях ходу . Якщо (Τ - середня тривалість одного акта випромінювання світла атомом джерела, с - швидкість світла у вакуумі, а τс - середня тривалість цугу хвиль у вакуумі), то накладаються хвилі завідомо некогерентних і не інтерферують. Умови спостереження інтерференції при оптичної різниці ходу

тобто для здійснення інтерференції при великих значеннях необхідна сильна монохроматізація світла.

3. Інтерференція в тонких плівках
1. При спостереженні інтерференції монохроматичного світла, відбитого в вакуум від плоскопараллельной платівки (рис.3.), Оптична різниця ходу интерферирующих променів
= N (AD + DC)-BC + λ / 2 =
=
де h - товщина пластинки, n - її абсолютний показник заломлення, i - кут падіння променів на платівку, r - кут заломлення променів у ластінке. Додаткова різниця ходу пов'язана з відбиттям світла від передньої поверхні пластинки (оптично більш густого середовища), тобто зі зміною при відображенні фази хвилі на π.
S S


O
B O
ii

A C
h
r r
D
Рис.3.
2. Умови максимумів і мінімумів для інтерференційної картини, утвореної когерентними хвилями, відбитими від обох поверхонь платівки:

Тут k = 2m, де m - ціле, для мінімумів і k = 2m +1 для максимумів. Якщо відображення від обох поверхонь пластинки відбуваються з втратами λ. / 2 (або без них), то інтерференційна картина зміщується на півшпальти, тобто значення k = 2m відповідають інтерференційних максимумів, а k = 2m +1 - мінімумів.
3. При висвітленні плоскопараллельной платівки паралельним пучком променів білого світла платівка набуває у відбитому світлі кольорове забарвлення. У відповідності до розділу п.6. інтерференцію в білому світлі можна спостерігати лише на дуже тонких пластинках (плівках), товщина яких не перевершує 0.01 мм . У монохроматичному світлі можна спостерігати інтерференцію і на значно більш товстих платівках.
4. Якщо паралельний або майже паралельний пучок променів монохроматичного світла падає на плівку, товщина h якої неоднакова в різних місцях, то у відбитому світлі на верхнє поверхні плівки видно темні і світлі інтерференційні смуги. Ці смуги називають смугами рівної товщини, тому що кожна з них проходить через точки з однаковими значеннями h. Смуги рівної товщини, локалізовані на поверхні плівки, можна спостерігати також і на екрані, якщо на нього спроектувати верхню поверхню плівки за допомогою збиральної лінзи. У білому світі спостерігається система кольорових інтерференційних смуг рівної товщини.
5. При інтерференції на прозорому клині смуги рівної товщині паралельної ребру клину. Ширина інтерференційних смуг при куті падіння i = 0

де - Кут при вершині клина ( , N - абсолютний показник заломлення речовини клину.
У разі протяжного джерела світла інтерференційна картина спостерігається тільки від тієї частини клину, поблизу його вершини, для якої , Де i - кут падіння, - Кут, під яким видно протяжний джерело з точки клину, відповідний даному h.
6. При інтерференції світла в повітряному зазорі між плоским чорним дзеркалом і щільно притиснутою до нього плоско-опуклої лінзою (рис.4), світло падає нормально на плоску поверхню лінзи, паралельну площині чорного дзеркала.


R

P
Рис.4.
Спостерігається система смуг рівної товщині повітряного зазору, що мають вигляд центричних кілець (кільця Ньютона). Центри кілець збігаються з точкою дотику лінзи і дзеркала. У відбитому монохроматичному світлі радіуси світлих і темних кілець рівні:
і
де R - радіус крутизни нижньої поверхні лінзи, - Довжина хвилі світла у вакуумі (повітрі), m = 1,0,2, ... У центрі інтерференційної картини знаходиться темна пляма.
У білому світі різних довжинах хвиль λ відповідають різні q, і виходить система кольорових кілець із значним накладенням одних квітів на інші; при великих m інтерференційна картина нерозрізнена для ока.
7. При висвітленні плоскопараллельной платівки монохроматичним збіжним або розбіжним пучком світла кожному значенню кута падіння I відповідає своє значення оптичної різниці ходу . Інтерференційна картина спостерігається в фокальній площині збиральної лінзи, встановленої на шляху світла, відбитого платівкою. Для монохроматичного світла інтерференційна картина має вигляд почергових темних і світлих смуг. Кожна з цих смуг відповідає певному значенню куті падіння i, тому їх називають смугами рівного нахилу. Смуги рівного нахилу локалізовані у нескінченності. При висвітленні плоскопараллельной платівки білим світлом смуги рівного нахилу різному розташовані залежно від λ і є кольоровими. У міру зростання порядку інтерференції m картина змащується.
8. У разі інтерференції N когерентних хвиль з однаковими амплітудами і однаковими зрушеннями по фазі між i-ою (i - 1)-й хвилями ( не залежить від i) амплітуда A і інтенсивність I результуючої хвилі рівні:

Де - Інтенсивність кожної з интерферирующих хвиль.

ЛІТЕРАТУРА
1. Мірошников М.М. Теоретичні основи оптико-електронних приладів: навчальний посібник для приладобудівних вузів. - 2-е видання, перероб. і доп.-Спб.: Машинобудування, 20033 - 696 с.
2. Порфирьев Л.Ф. Теорія оптико-електронних приладів і систем: навчальний посібник .- Спб.: Машинобудування, 20033 - 272 с.
3. Кноль М., Ейхмейер І. ​​Технічна електроніка, т. 1. Фізичні основи електроніки. Вакуумна техніка.-М.: Енергія, 2001.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
49.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Інтерференція світла 3
Інтерференція світла 2
Інтерференція світла Загальне поняття
Багатопроменева інтерференція
Інтерференція і дифракція
Інтерференція як соціолінгвістична проблема
Тунельна інтерференція полів хвиль довільної фізичної природ
Дія світла
Поляризація світла
© Усі права захищені
написати до нас